CN114477689A - 一种co2干式重整强化污泥微波连续热解产富co合成气的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于资源与环境领域，具体涉及微波热解技术应用于市政或工业污泥的减量化与资源化处理过程，提供了一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备及方法。本发明通过采用平板式震动进料的方法克服含水污泥因粘度高，进料困难的限制(如图1所示)，从而提高单位时间处理的污泥量。同时，陶瓷螺旋推进式的进料方法还有助于实现污泥连续热解及改善污泥在微波热解过程中存在的微波辐照不均匀的现象，从而提高污泥中有机质的热解效率。
Description
技术领域
本发明属于资源与环境领域，具体涉及微波热解技术应用于市政或工业污泥的减量化与资源化处理过程，提供了一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备及方法。
背景技术
现有技术中，微波热解技术应用于市政或工业污泥主要包括以下技术：
(1)续批式的污泥微波热解技术：
目前，关于污泥微波热解产生物气的研究绝大多数采用续批式进料模式，其热解过程主要分为：(1)含水污泥与吸波物质按一定比例(10％～30％)混合；(2)设置微波功率，开启微波热解反应；(3)随着温度的升高，污泥先进过干燥阶段(100～200℃)。随着温度的升高，污泥经过初级热解阶段(200～600℃)和二次裂解阶段(600～900℃)，产生大量的挥发性气体；(4)采用装有二氯甲烷的冷凝装置对生物油和生物气进行分离，采用气袋收集生物气；(5)待微波腔体冷却至室温后再对生物炭进行收集。
(2)污泥续批式微波热解产生物气：
据报道，学者们对污泥微波热解产生物气以进行了大量的研究，且主要集中于工艺参数调控对污泥续批式热解产物的分布，产物的组成差异及能耗分析等方面的研究。其中，生物气可达20～50wt.％，且主要含有H2、CO、CO2、CH4和少量烯烃等能源气体， CO浓度可到15～30vol.％，热值较高，具有良好的能源价值。
(3)污泥连续式热解产生物合成气：
在连续式热解技术的研究方面，已报道了带式传输及叶片式螺旋进料的传统电加热或微波热解技术。相对于传统的连续热解技术，微波连续式热解技术可显著提高污泥的升温速率，提高生物气的产量。目前，污泥的连续热解在热解温度为500-800℃条件下，可实现生物气产率在30-50.50wt.％，生物气中一氧化碳浓度为15-30％，是污泥减量化、无害化、能源的有效途径之一。
现有技术主要存在的问题包括：
(1)污泥续批式进料微波热解的缺陷：
相对于传统的污泥热解技术，尽管微波热解技术能在短时内，快速和选择性的对目标污泥进行加热。然而，在续批式进料的模式下，每批污泥热处理的时间在20～60min之间，但设备降温却需要4～6h，才能降至室温并进行一批污泥的热解。在降温过程中，损耗了大量的热能，增加了电能的消耗。此外，在升温过程中，污泥中有部分有机物并未热解完全就被通入的载气带出反应腔体，降低了污泥的热解效率和生物气的品质。因此，如何提高污泥的微波热解效率和生物气的品质是当前该领域亟待解决的难点之一。
(2)污泥连续式热解产生物气存在的不足之处：
目前已有连续式加热技术中，大多数的加热方式和进料方式(如：电加热和皮带式输送进料)限制了污泥连续进料和快速热解效率。尽管微波连续式加热技术可以提高升温速率，但是由于污泥粘度大，易结块，导致进料过程中常出现堵料的现象。此外，为了实现快速温度，往往需要将污泥与吸波物质混合后进行加热。由于吸波物质与污泥热解残渣难以分离，无法循环利用，显著增加了污泥的热解成本。因此，开发更适用于高粘度污泥进料及避免混入吸波物质的热解方式是提高污泥处理量及降低处理成本的关键。
(3)污泥续批式微波热解产生物气的产率及CO浓度有待提高：
据相关资料报道，污泥微波热解产生物气中H2和CO是主要的能源气体组分。相对于H2，CO具有更高的热值。因此，定向提高污泥微波热解产生物气中CO的浓度，有助于提高生物气的热值。尽管添加催化剂可以提高污泥的热解效率，但催化剂难以与热解残渣分离，增加了热解的成本。随着CO2利用概念的兴起，许多学者将CO2气氛引入热解过程，期望可以提高生物质的热解效率。令人惊喜的是，CO2气氛作为一种弱氧化剂，可以通过加速生物油和生物炭气化来促进合成气的生成。然而，由于CO2较差的反应活性，需要在高温下进行活化才能进一步参与重整反应。因此，如何解决高温下(≥ 600℃)污泥的连续热解及CO2反应气氛的调控对提高CO浓度的贡献，也是当前急需解决的难题之一。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明首先提供了一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备，所述设备为螺旋推进式微波连续热解设备，其中，
设备(微波腔体)内部包括：螺旋推进式陶瓷轴，石英管和四氧化三铁吸波床，石英管位于螺旋推进式陶瓷轴底部，石英管底部放置四氧化三铁吸波床微波处理器；
设备外壁设有多模微波磁控管和红外探头；
进料控制系统连接平板式震动下料装置，进一步通过其下料口将物料输送到设备内螺旋推进式陶瓷轴上；
设备尾部分别设置有水冷式残渣收集器和出气口。
通过采用平板式震动进料的方法克服含水污泥因粘度高，进料困难的限制(如图1所示)，从而提高单位时间处理的污泥量。同时，螺旋推进式的进料方法还有助于实现污泥连续热解及改善污泥在微波热解过程中存在的微波辐照不均匀的现象，从而提高污泥中有机质的热解效率。
为了准确测量微波腔体内的温度，同时采用两个红外探头进行测温。
石英管底部放置四氧化三铁吸波床(优选为厚度5～7mm)可以强化微波能向热能的转化效率，瞬间提高反应温度，为CO2干式重整强化污泥连续式微波快速热解产富CO合成气提供充足的能量，实现污泥的定向能源化利用。
作为本发明的一种优选方案，设备内还包括冷凝装置和干燥装置，气体经热解后进入冷凝装置和干燥装置，然后通过出气口进行气体收集。
作为本发明的一种优选方案，所述设备通过CO2气体输送管连续输入CO2。
本发明进一步提供了一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的方法，采用前述设备，其中，
处理开始前，以氮气为载气清除微波腔体内的空气；
然后，通过控制面板设置程序升温，并将微波腔体加热至指定温度，具体步骤如下：开启微波设备，输入微波功率为1800W，升温至300℃；然后，微波功率每15min增加400W，最高功率为4200W；
当微波腔体内的温度达到设定值(500℃升到700℃)后，将含水污泥(含水率0-80wt.％)以1～20Kg/h的处理量通过平板式震动进料装置送入微波腔体内，采用气体流量计控制反应气氛中CO2的气体的浓度(0～100vol.％)和流量(1～50L/h)；
通过控制面板设置推进式螺旋杆的转速(1～10rap/min)；微波热解过程中产生的挥发性气体分别通过装有二氯甲烷的冷凝装置和干燥装置，然后，采用气袋通过出气口收集富CO合成气。
作为本发明的一种优选技术方案，进料速度优选为2-6Kg/h。
作为本发明的一种优选技术方案，反应气氛中CO2的气体的浓度为100vol.％，流量 20L/h。
作为本发明的一种优选技术方案，热解过程中微波腔体内700℃。
根据大量的试验，作为本发明的一种优选技术方案，进料速度优选为2-6kg/h，反应气氛中CO2的气体的浓度为100vol.％，热解过程中微波腔体内700℃。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
本发明创造性的提出了采用螺旋推进式的进料方法及装载吸波物质反应床的设计来实现CO2干式重整强化污泥连续微波快速热解产富CO合成气，有效地改善热解过程中污泥热量分布不均匀和CO2反应效率低的缺陷，实现污泥微波热解的深度热解和将CO2转化为能源气体，从而提高生物气的产率及CO浓度，强化污泥的资源和微波能量的有效利用率，为实现污泥微波热解工艺的优化与工程应用提拱技术支持和理论依据，具有重要价值。具体地：
1.振动式的下料装置可以克服污泥因粘度高而难下料的缺陷，振动式下料可以更好的控制污泥的进料量和提高热解效率。
2.在石英管底部加入四氧化三铁吸波床(厚度5～7mm)可以提高微波能向热能的转化效率，减少微波吸收物质的使用，同时降低微波能耗和材料使用成本。
3.采用陶瓷材料的螺旋推进式进料可提高污泥的均匀性热解，控制污泥热解时间，提高污泥单位时间处理量，且陶瓷不吸收微波能量，可降低能量损耗。
4.在高温连续式微波快速热解条件下，通过调控污泥进料量、反应停留时间，和CO2流速、浓度可以定向提高污泥微波热解产生物气的产量及CO的浓度，实现污泥连续式微波快速热解制富CO合成气，实现污泥资源的回收利用。
附图说明
图1为螺旋推进式微波热解装置示意图，其中：
(1)：进料控制系统；(2)：平板式震动下料装置；(3)：CO2气体输送管；(4)：多模微波磁控管；(5)：红外探头；(6)：螺旋推进式陶瓷轴；(7)：石英管；(8)：四氧化三铁吸波床；(9)：微波控制系统；(10)：水冷式残渣收集器；(11)：出气口。
图2为污泥螺旋推进式微波连续热解产富CO合成气流程图；
图3为热解温度对生物气产率及其CO含量变化规律的影响；
图4为CO2浓度对生物气产率及其CO含量变化规律的影响；
图5为进料速度对生物气产率及其CO含量变化规律的影响。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但本发明不局限于此。
实施例1一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备
如图1所示，所述设备为螺旋推进式微波连续热解设备，其中，
设备内部包括：螺旋推进式陶瓷轴，石英管和四氧化三铁吸波床，石英管位于螺旋推进式陶瓷轴底部，石英管底部放置四氧化三铁吸波床微波处理器；
设备外壁设有多模微波磁控管和红外探头；
进料控制系统连接平板式震动下料装置，进一步通过其下料口将物料输送到设备内螺旋推进式陶瓷轴上；
所述设备通过CO2气体输送管连续输入CO2。
设备尾部分别设置有水冷式残渣收集器和出气口。
实施例2污泥螺旋推进式微波连续热解产富CO合成气流程
采用实施例1的设备，如图2所示污泥螺旋推进式微波连续热解产富CO合成气流程图，其中，
处理开始前，以氮气为载气清除微波腔体内的空气；
然后，通过控制面板设置程序升温，并将微波腔体加热至指定温度，具体步骤如下：开启微波设备，输入微波功率为1800W，升温至300℃；然后，微波功率每15min增加400W，最高功率为4200W；
当微波腔体内的温度达到设定值(500℃升到700℃)后，将含水污泥(含水率为60wt.％)以1～20Kg/h的处理量通过平板式震动进料装置送入微波腔体内，采用气体流量计控制反应气氛中CO2的气体的浓度(0～100vol.％)和流量(20L/h)；
通过控制面板设置推进式螺旋杆的转速(1～10rap/min，对应进料速度1kg/h～10kg/h)。微波热解过程中产生的挥发性气体分别通过装有二氯甲烷的冷凝装置和干燥装置，然后，采用3L-5L的气袋通过出气口收集富CO合成气。
其中，
1.反应温度对污泥连续式微波快速热解产生物气和CO浓度的影响
从图3中可以发现，通过温度控制系统控制热解温度可以有效调控微波热解产生物气的产率。当热解温度从500℃升到700℃时，生物气产率从32.25％升到50.35％，CO 的含量从13.52％升到17.33％。这说明热解温度与热解产生物气的产率呈正相关的关系，因此增加微波热解温度能够提高热解生物气的产率及其CO含量。其中，进料速度6 rap/min。
2.CO2浓度对污泥连续式微波快速热解产生物气和CO浓度的影响
从图4可以发现，通过改变反应气氛中的CO2浓度可以有效调控污泥微波热解产生物气的产率。当反应气氛中CO2浓度从0％增加到100％时，生物气的产率从35.00％升到53.00％，CO的含量从23.00％升到34.00％。这说明采用控制气体氛围中CO2浓度的方式可以有效提高污泥微波热解产生物气的产率及其CO含量。其中，进料速度6rap/min。
3.进料速度对污泥连续式微波快速热解产生物气和氢气浓度的影响
从图5中可以发现，以湿污泥为原料，通过改变污泥平震式进料的速度可有效调控污泥微波热解产生物气的产率。当进料速度从2kg/h增加到10kg/h时，生物气的产率从53.32％降到45.37％，CO的含量从38.13％降到24.57％。这说明采用平震式进料的方式可通过调控污泥处理量和改变污泥的反应时间，从而有效的提高污泥中有机质的热解效率，提高污泥微波热解产生物气的产率及其CO含量。当污泥进料速度为10kg/h时，生物气中的CO含量仍高达24.57％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备，其特征在于，所述设备为螺旋推进式微波连续热解设备，其中，
设备(微波腔体)内部包括：螺旋推进式陶瓷轴，石英管和四氧化三铁吸波床，石英管位于螺旋推进式陶瓷轴底部，石英管底部放置四氧化三铁吸波床微波处理器；
设备外壁设有多模微波磁控管和红外探头；
进料控制系统连接平板式震动下料装置，进一步通过其下料口将物料输送到设备内螺旋推进式陶瓷轴上；
设备尾部分别设置有水冷式残渣收集器和出气口。
2.根据权利要求1所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备，其特征在于，四氧化三铁吸波床厚度为5～7mm。
3.根据权利要求1所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备，其特征在于，设备内还包括冷凝装置和干燥装置，气体经热解后进入冷凝装置和干燥装置，然后通过出气口进行气体收集。
4.根据权利要求1所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的设备，其特征在于，所述设备通过CO2气体输送管连续输入CO2。
5.一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的方法，其特征在于，采用前述权利要求1-4任一权利要求所述的设备，其中，
处理开始前，以氮气为载气清除微波腔体内的空气；
然后，通过控制面板设置程序升温，并将微波腔体加热至指定温度，具体步骤如下：开启微波设备，输入微波功率为1800W，升温至300℃；然后，微波功率每15min增加400W，最高功率为4200W；
当微波腔体内的温度达到设定值(500℃升到700℃)后，将含水污泥(含水率0-80wt.％)以1～20Kg/h的处理量通过平板式震动进料装置送入微波腔体内，采用气体流量计控制反应气氛中CO2的气体的浓度(0～100vol.％)和流量(1～50L/h)；
通过控制面板设置推进式螺旋杆的转速(1～10rap/min)；微波热解过程中产生的挥发性气体分别通过装有二氯甲烷的冷凝装置和干燥装置，然后，采用气袋通过出气口收集富CO合成气。
6.根据权利要求5所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的方法，其特征在于，进料速度优选为2-6Kg/h。
7.根据权利要求5所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的方法，其特征在于，反应气氛中CO2的气体的浓度为100vol.％，流量20L/h。
8.根据权利要求5所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的方法，其特征在于，热解过程中微波腔体内700℃。
9.根据权利要求5所述的一种CO2干式重整强化污泥微波连续热解产富CO合成气的方法，其特征在于，进料速度优选为2-6kg/h，反应气氛中CO2的气体的浓度为100vol.％，热解过程中微波腔体内700℃。
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